Host cell factors that affect UUKV infection identified by two genome-wide sirna screens

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1 Diss. ETH No Host cell factors that affect UUKV infection identified by two genome-wide sirna screens A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by ROGER MEIER Master of Science in Biology, Human Biology University of Zurich, Switzerland born March 29th, 1978 citizen of Dintikon AG, Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Ari Helenius, examiner Prof. Dr. Hubert Hilbi, co-examiner Dr. Michèle Bouloy, co-examiner 2013

2 Summary Bunyaviruses are considered as agents of emerging diseases. Many bunyaviruses are pathogens in humans and cause severe health problems such as fatal hepatitis, hemorrhagic fever, and encephalitis. No treatments or vaccines are currently approved by the Food and Drug Administration (FDA) for human use. Furthermore, bunyaviruses cause diverse diseases in livestock all over the world and diminish global agricultural productivity. We recently found that Uukuniemi virus (UUKV) and other phleboviruses, that belong to the bunyaviruses, use DC-SIGN mediated endocytosis to enter immature dendritic cells (DCs) and cells ectopically expressing DC-SIGN. We also showed that UUKV belongs to the late penetrating viruses colocalizing with Rab7a and LAMP1 positive vacuoles [1, 2]. In this study we aimed at gaining more insights into UUKV entry - i.e. binding, internalization, fusion, penetration, and expression of viral nucleoprotein N - and at elucidating which host factors are involved in these steps. For this purpose, we performed two image based genome-wide sirna screens in HeLa cells stably expressing DC-SIGN using Qiagen s un-pooled and Dharmacon s pooled genome-wide sirna libraries. Our screen analysis revealed 521 (Qiagen) and 294 (Dharmacon) inhibitory and enhancer hits. A comparison of hit lists of both screens revealed 21 common hits (4% (Qiagen) and 7% (Dharmacon) of total hits). This number matches the overlap of previously published infection screens performed with other viruses. The weak comparability of the hit lists of different sirna virus infection screens is a major concern in the research field [3, 4]. To improve the analysis of our screens we performed off-target analysis consisting of 1.) a transcriptome correction and 2.) an assessment of sirna seed effects on UUKV infection. It has been shown, that sirnas can act like micrornas (mirnas). 1.) The transcriptome of HeLa-DC-SIGN cells was determined by a microarray approach using Agilent Humane Gene Expression chips. We identified a total of transcripts in four independent transcriptome analyses. iii

3 iv SUMMARY Comparing hit lists with the identified transcripts in HeLa-DC-SIGN cell line, we identified 30% of preliminary hits as non-expressed genes, hence as false-positives, in both screens. The two screens revealed 477 inhibitory and 63 enhancer hits after transcriptome correction. 2.) The seed analysis for the Qiagen screen revealed 50% of the transcriptome corrected hits to be targeted by at least one sirna that most probably acted like a mirna and inhibited UUKV infection. In total 20% of inhibiting hit sirnas were predicted to act like mirnas. To confirm this prediction, we tested if mimic mirnas (mirs) that had the same seed as predicted seeds inhibited UUKV infection. All mirs, except one, showed the predicted inhibitory effect. The seed effect in the Dharmacon screen was clearly less dominant compared to the Qiagen screen. However, we also noted that the inhibition of the infection in the on-target analysis was in general weaker in the Dharmacon screen than in the Qiagen screen. This indicated that the depletion efficiency of the sirnas in the Dharmacon screen was less efficient than in the Qiagen screen possibly leading to false-negative hits. The results of our off-target analysis showed the importance of correcting sirna screening data against the transcriptome and seed effects. We propose that transcriptome and seed correction should be included in data analysis protocols of sirna projects. In addition, we suggest that false-positive hits caused by sirna seed off-target effects in the Qiagen screen and the presumably high number of false-negative hits in the Dharmacon screen are the main reasons for the low number of common hits in the screens. Amongst the mirs that inhibited UUKV infection, we found that mir p inhibited UUKV fusion or a pre-fusion event. To identify genes that are regulated by the mir-142-3p, we performed microarray analysis in HeLa- DC-SIGN cells. The gene expression analysis revealed VAMP3 and several other genes to be regulated by the the mir-142-3p. VAMP3 was identified as an inhibitory hit in both screens. We confirmed the role of VAMP3 in UUKV infection using VAMP3-inactivating tetanus toxin. Colocalization studies led us to suggest that VAMP3 may play a role in UUKV infection by interfering with the maturation or function of late endosomes (LE). This is consistent with UUKV being a late penetrating virus. Given that VAMP3 is required for the generation of amphisomes and considering that Rab7a and Lamp1 localize to both LE and amphisomes, we suggest a working model in which UUKV fusion takes place in amphisomes.

4 Zusammenfassung Bunyaviren zählen zu den Erregern sich ausbreitender und neuer Infektionskrankheiten. Einige Bunyaviren sind menschliche Pathogene und verursachen schwere Krankheiten wie Hepatitis, hämorrhagisches Fieber und Enzephalitis. Zurzeit stehen keine von der Food and Drug Administration (FDA) genehmigten Impf- oder Behandlungsmethoden zur Verfügung. Zudem verursachen Bunyaviren weltweit verschiedene Infektionskrankheiten in Viehbeständen und reduzieren den globalen landwirtschaftlichen Ertrag. Kürzlich konnten wir zeigen, dass gewisse Bunyaviren, wie z.b. das Uukuniemi Virus (UUKV), über DC-SIGN vermittelte Endocytose in dendritsche Zellen und Zellen, die ektopisch DC-SIGN exprimieren, gelangen. Zudem zeigten wir, dass UUKV zu den spät penetrierenden Viren gehört und mit Rab7a und LAMP1 positiven Vakuolen kolokalisiert [1, 2]. Ziel dieser Arbeit war es, den Eintrittsweg von UUKV in seine Wirtszellen besser zu verstehen - d.h. die Bindung, Fusion, Penetration und Expression des viralen Nukleoprotein N in der Wirtszelle. Dabei sollte ein umfassendes Bild der am Eintrittsweg beteiligten Wirtsproteine gewonnen werden. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir zwei sirna Screens gegen das menschliche Genom durchgeführt. Dabei haben wir die nicht gepoolte Qiagen und die gepoolte Dharmacon sirna Bibliotheken benutzt. In der Analyse der Screens wurden 521 (Qiagen) bzw. 294 Hits (Dharmacon) identifiziert, welche die Infektion der Wirtszellen mit dem UUKV verminderten oder verstärkten. Ein Vergleich der in den beiden Screens identifizierten Hits ergab eine Übereinstimmung von 21 Hits (4% (Qiagen) und 7% (Dharmacon) aller identifizierten Hits), wobei alle die Infektion mit dem UUKV verminderten. Der Umfang dieser Übereinstimmung ist mit demjenigen von verschiedenen publizierten sirna Infektion Screens, die mit anderen Viren durchgeführt wurden, vergleichbar. Diese geringe, wenn auch signifikante Übereinstimmung der identifizierten Hits ist ein bisher ungelöstes Problem im Rahmen von sirna Infektion Screens [3, 4]. Um die Analyse unserer beiden Screens zu verbessern, haben wir zwei v

5 vi ZUSAMMENFASSUNG Fehleranalysen durchgeführt, bestehend aus 1.) einer Korrektur gegen das Transkriptom und 2.) einer Beurteilung von Effekten der seed-sequenzen von sirnas auf die UUKV Infektion, da gezeigt wurde, dass sirnas wie micrornas (mirnas) wirken können. 1.) Das Transkriptom von HeLa Zellen, die dauerhaft DC-SIGN exprimierten (HeLa-DC-SIGN), wurde mittels Microarray Analyse bestimmt. Insgesamt wurden Transkripte in vier unabhängigen Microarray Analysen identifiziert. Ein Vergleich des Transkriptoms der Hela-DC-SIGN Zellen mit den in den zwei Screens identifizierten Hits ergab, dass 30% der Hits im Transkriptom nicht vorhanden waren, d.h. als falsch positive Hits zu werten waren. 2.) Die Analyse von Effekten der seed-sequenzen von sirnas auf die UUKV Infektion im Qiagen Screen ergab, dass 50% der Transkriptom korrigierten Hits von mindestens einer sirna reguliert wurden, die mit grosser Wahrscheinlichkeit wie eine mirna funktionierte und so die Infektion mit dem UUKV verminderte. Für insgesamt 20% aller sirnas, die einen inhibierenden Effekt auf die Infektion mit dem UUKV zeigten, wurde vorhergesagt, dass sie wie eine mirna wirkten. Um dies zu überprüfen, haben wir die Wirkung von mimic mirnas (mirs) mit seed-sequenzen von sirnas auf die Infektion mit dem UUKV überprüft. Alle bis auf eine mir zeigten den vorhergesagten inhibierenden Effekt. Der durch die seed-sequenz vermittelte Effekt zeigte im Dharmacon Screen eine deutlich geringere Ausprägung als im Qiagen Screen. Es war jedoch zu beobachten, dass die Inhibition der Infektion in der on-target Analyse im Dharmacon Screen gesamthaft geringer war als im Qiagen Screen. Dies wies darauf hin, dass die sirnas im Dharmacon Screen ihre Zielgene weniger effizient herunterregulierten als im Qiagen Screen, weshalb im Dharmacon Screen von mehr falsch negativen Hits auszugehen ist. Die Resultate unserer off-target Analyse lassen die Wichtigkeit erkennen, Resultate aus sirna Screens gegen das Transkriptom und gegen Effekte von seed-sequenzen zu korrigieren. Daher schlagen wir vor, die Korrektur gegen das Transkriptom und gegen Effekte von seed-sequenzen als festen Bestandteil in die Datenanalyse von sirna Projekten aufzunehmen. Ferner erwägen wir, dass falsch positive Hits, die durch off-target Effekte von seed-sequenzen der sirnas im Qiagen Screen verursacht wurden, und die anzunehmende grosse Anzahl von falsch negativen Hits im Dharmacon Screen für die geringe Anzahl gemeinsamer Hits der beiden Screens verantwortlich sind. Von den mirs, welche die Infektion mit dem UUKV verminderten, führte die mir-142-3p zu einer Inhibition der UUKV Fusion selbst oder eines Pro-

6 zesses vor der Fusion. Um Gene zu identifizieren, die von der mir-142-3p reguliert werden, wurde eine Microarray Analyse in HeLa-DC-SIGN Zellen durchgeführt. VAMP3 und einige weitere Gene wurden in dieser Genexpressionsanalyse als von der mir-142-3p reguliert identifiziert. VAMP3 wurde auch in beiden Screens als Hit, der zu einer Verminderung der Infektion führte, identifiziert. Die Rolle von VAMP3 bei der Infektion durch UUKV konnte mittels Tetanus Toxin, das VAMP3 inaktiviert, bestätigt werden. Untersuchungen zur Kolokalisation von UUKV und VAMP3 führten zur Hypothese, dass VAMP3 eine Rolle bei der Infektion mit UUKV spielt, indem VAMP3 mit der Reifung oder der Funktion von späten Endosomen interagiert. Diese Hypothese steht in Übereinstimmung mit dem Befund, dass UUKV zu den spät penetrierenden Viren zählt. Angesichts der Tatsachen, dass VAMP3 in die Bildung von Amphisomen involviert ist und Rab7a sowie Lamp1 sowohl in späten Endosomen als auch in Amphisomen zu finden sind, schlagen wir als Arbeitsmodell vor, dass die Fusion von UUKV in Amphisomen stattfindet. vii